Sub-Nanometer Auflösung Belichtung mit Amplituden-Modulation der Rasterkraftmikroskopie in Liquid
Summary
Wir präsentieren ein Verfahren zum Erreichen einer Sub-Nanometer Auflösung Bilder mit Amplituden-Modulation (Tapping-Modus) Rasterkraftmikroskopie in Flüssigkeit. Das Verfahren ist auf kommerzielle Atomkraftmikroskope demonstriert. Wir erläutern die Gründe für unsere Entscheidungen von Parametern und schlagen Strategien zur Auflösung Optimierung.
Abstract
Atomic force microscopy (AFM) has become a well-established technique for nanoscale imaging of samples in air and in liquid. Recent studies have shown that when operated in amplitude-modulation (tapping) mode, atomic or molecular-level resolution images can be achieved over a wide range of soft and hard samples in liquid. In these situations, small oscillation amplitudes (SAM-AFM) enhance the resolution by exploiting the solvated liquid at the surface of the sample. Although the technique has been successfully applied across fields as diverse as materials science, biology and biophysics and surface chemistry, obtaining high-resolution images in liquid can still remain challenging for novice users. This is partly due to the large number of variables to control and optimize such as the choice of cantilever, the sample preparation, and the correct manipulation of the imaging parameters. Here, we present a protocol for achieving high-resolution images of hard and soft samples in fluid using SAM-AFM on a commercial instrument. Our goal is to provide a step-by-step practical guide to achieving high-resolution images, including the cleaning and preparation of the apparatus and the sample, the choice of cantilever and optimization of the imaging parameters. For each step, we explain the scientific rationale behind our choices to facilitate the adaptation of the methodology to every user’s specific system.
Introduction
Seit seiner Erfindung vor drei Jahrzehnten, Rasterkraftmikroskopie (AFM) 1 hat sich als Methode der Wahl etabliert für Proben im Nanobereich zu untersuchen, insbesondere dort , wo makroskopische Oberflächenbereiche von durchschnittlich über nicht möglich ist und lokale Informationen erforderlich ist . In einer typischen AFM-Messung wird die Durchbiegung eines flexiblen Auslegers verwendet, um die Wechselwirkungskraft zwischen einer kleinen Anzahl von Molekülen und einer Ultra Spitze am Ende des Auslegers montiert ist, zu quantifizieren. Je nach Art der Interaktion und die betrachteten Zeiträume kann ein breites Spektrum an Informationen abgeleitet werden, einschließlich der viskoelastischen Eigenschaften von weichen biologischen Membranen 2,3, die Stärke eines einzelnen chemischen oder molekulare Bindung 4,5, die atomistische Details eines Oberfläche von 6 bis 8, der magnetische 9, kapazitiv 10, 11, 12,13 thermischen und chemischen Eigenschaften von Proben 14 leitend <sup> 15. Ein Teil des Erfolgs von AFM ist seine Fähigkeit , auf eine breite Palette von Materialien 16 und in verschiedenen Umgebungen wie Vakuum 17, Gas 11,18 oder Flüssigkeit 19,20, zu arbeiten , weil es auf einer bestimmten Kraft beruht nicht zwischen Sonde und Probe .
In der Praxis jedoch kann eine Herausforderung und viele veröffentlichte Ergebnisse werden unter anderen Bedingungen als Umgebungs die AFM in Betrieb sind immer noch in der Luft erhalten. Eine zusätzliche Schwierigkeit kommt von der Tatsache, dass es in der Regel notwendig ist, die AFM im dynamischen Modus (vibrierende Spitze) zu betreiben, um durch Vermeidung großer Reibungskräfte sowohl Spitze und der Probe zu erhalten. Obwohl eine größere Herausforderung, kann den dynamischen Betrieb im Prinzip liefern weitere Informationen über die analysierten Probe und ohne Verlust an räumlicher Auflösung. Im letzten Jahrzehnt hat sich das Gebiet der dynamischen AFM in Flüssigkeit wichtige Entwicklungen gesehen, aus dem Aufkommen der AFM Video-Rate von 21 bis 23, auf Multifrequenz Messungen <sup> 24,25 und Sub-Nanometer – Bildgebung von Trinkstrukturen an Grenzflächen 26 – 31. AFM – Betrieb , während in Flüssigkeit eingetaucht wird nun routinemäßig in der Biologie und Biophysik verwendet 32-36, Polymerforschung 37, Elektrochemie 38-40 und Fest-Flüssig – Charakterisierung Schnittstellen 41-44. Das Vorhandensein von Flüssigkeit um die schwingende Ausleger verändert erheblich seine Dynamik 45 sowie die Wechselwirkung zwischen der Spitze und der Probe 29,42. Bei richtiger Anwendung kann die Flüssigkeit ausgenutzt werden , um die Bildauflösung 26,29, mit einer typischen Verbesserung um fast eine Größenordnung zu verbessern im Vergleich zu der besten Auflösung 46 unter Umgebungsbedingungen erreicht.
In AFM, die höchste räumliche Auflösung erreichbar für eine bestimmte Messung hängt sowohl von der Qualität des AFM selbst und der Art der ter Interaktion sondiert 20,47,48. In der heutigen Zeit, die meisten High-End, im Handel erhältliche AFMs vorhanden Lärmpegeln, die der von 12 thermische Grenze nahe sind , so der bestimmende Faktor für die Auflösung ist in der Regel die Spitze-Probe Wechselwirkung. Es ist effektiv der räumliche Gradient dieser Wechselwirkung, die die Auflösung bestimmt: Messungen basierend auf Kurzstrecken, schnell abklingenden Interaktion erzeugen höhere Auflösung Ergebnisse als bei der längerfristige Interaktionen im Spiel sind. In Flüssigkeit kann Solvatation Kräfte Bildauflösung verbessern , weil sie dazu neigen , nur wenige Moleküldurchmesser der Flüssigkeit (typischerweise <1 nm) beim Anfahren 49 der Probe von der Oberfläche verschwinden über. Diese Kräfte entstehen aus der Wechselwirkung zwischen den Flüssigkeitsmolekülen und der Oberfläche der Probe. Eine Flüssigkeit mit einer starken Affinität für die Oberfläche wird dazu neigen , geordneteren und weniger mobil als bulk Flüssigkeit an der Grenzfläche mit der Probe 29,42,50 sein. Als Ergebnis,es wird mehr Energie für einen vibrierenden AFM – Spitze nehmen Grenzflüssigkeitsmoleküle als Bulk – Flüssigkeit 42 zu verdrängen, -die Solvatation Landschaft die Messung sehr empfindlich auf lokale Schwankungen der Grenzflüssigkeitseigenschaften im Nanobereich zu machen.
Um berücksichtigt zu nutzen, müssen Solvatation Kräfte, einige praktische Aspekte getroffen werden. Zuerst werden die Schwingungsamplitude der Spitze zu dem Bereich der Solvatation Kräfte vergleichbar benötigt, typischerweise <1 nm. Zweitens verwendet die Flüssigkeit eine wohldefinierte Solvatation Landschaft an der Oberfläche der Probe bilden müssen. Makroskopisch ist das Äquivalent eines "Benetzung" Flüssigkeit für die Probe als zu erfordern. Zum Beispiel in Wasser ist es einfacher , auf molekularer Ebene Auflösung auf hydrophilen Glimmer zu erreichen als auf hydrophoben Graphit 42,51. Schließlich muß die Federkonstante des Auslegers mit der Spitze Stütz entsprechend 52,53 gewählt werden. Wenn in diesen con ArbeitsBedingungen, wird das AFM nicht nur auf molekularer Ebene Bilder der Schnittstelle zur Verfügung stellen, aber es ergibt sich auch Informationen über die lokale Probe-Flüssig – Affinität , die 54 chemische Informationen über die Probenoberfläche zu gewinnen , verwendet werden kann.
Die gebräuchlichsten dynamischen Betriebsarten für AFM in flüssigen Amplitudenmodulation (AM, auch "Tapping-Modus ') AFM und Frequenzmodulation (FM) AFM. Im ersten Fall 55 tastet raster die Spitze der Probe während ihrer Schwingungsamplitude durch eine Rückkopplungsschleife konstant gehalten wird , die kontinuierlich mit der Spitze-Probe – Abstand wieder einstellt. Ein topographisches Bild der Probe wird aus der durch die Rückkopplungsschleife angelegt Korrektur erhalten. Im FM-AFM 28,41,56, ist es die Schwingungsfrequenz des Auslegers / Spitze , die konstant gehalten wird , während die Spitze die Probe abtastet. Beide Techniken bieten vergleichbare topographische Auflösung in flüssiger 36,57. Die Quantifizierung der Spitze-Probe Wechselwirkung neigt dazu, mehr strai zu seinghtforward und präzise in FM-AFM, aber AM-AFM ist einfacher zu implementieren, robuster und ermöglicht mit weicher Auslegern, etwas Nützliches für die Untersuchung leicht verformbar oder empfindliche Proben arbeiten. Bezeichnenderweise ist AM-AFM mehr unter AFM Benutzer verbreitet, teilweise aus historischen Gründen, sondern auch aufgrund der Tatsache, dass es technisch einfacher zu steuern ist.
Obwohl die Amplitude, die durch die Rückkopplungsschleife während der AM-AFM-Bildgebung konstant gehalten wird, wird die Phasenverzögerung zwischen der Spitze und dem Schwingungsantriebsschwingung frei zu ändern erlaubt. Die Phasenverzögerung kann nützliche Informationen über die Spitze und Probe – Wechselwirkungen liefern, auf die während der Schwingung der Spitze an der Schnittstelle mit der Probe 58 absorbierten Energie bezogen ist. Daher phasen Bildgebung kann gleichzeitig topographische Bildgebung erfasst werden, und ist oft komplementäre die Heterogenität einer Probenoberfläche in Hervorhebung. Phase Bildgebung wurde für verschiedene Mapping von Interaktionen verwendet, einschließlich der direct Kartierung der Haftungsenergie 42, viskoelastischen Eigenschaften 58 und die Hydratisierung Landschaft einer Schnittstelle 44.
Praktisch, Bilder mit hoher Auflösung in Flüssigkeit erhalten bleibt nicht-trivial aufgrund der großen Anzahl von Parametern zu steuern, und das Fehlen einer einfachen und systematischen Protokoll, das in jeder Situation funktioniert. Die Bildqualität hängt typischerweise von dem Cantilever Geometrie und Elastizität der Spitze der Chemie, die Schwingungsamplitude und die Probe Steifigkeit unter anderem 55. AFM-Messungen sind ebenfalls per definitionem perturbativen an das System. Als Ergebnis Abbildungs ändernden Variablen und Umgebungsbedingungen ohne angemessene Überlegungen können zu Schwierigkeiten bei der Reproduzierbarkeit und / oder misrepresentative Beobachtungen und falschen Ergebnissen führen.
Hier präsentieren wir unser Protokoll für hochauflösende Bilder von harten und weichen Proben in Lösung zu erzielen, kommerziellen Instrumenten in ampl betrieben wirdITUDE-Modulation. Unser Ziel ist es, die wichtigsten Parameter für die Optimierung der wahrscheinlich ein praktisches Verfahren anzubieten, um die Auflösung über verschiedene Proben zu beeinflussen, in jedem Fall erläutert die Gründe für unsere Entscheidungen von den physikalischen Prinzipien der Abbildungsprozess zugrunde liegen. Wir Detail ein Schritt-für-Schritt-Ansatz, von der Substratreinigung und Vorbereitung der Wahl der Ausleger, Anpassung der Bildparameter und gemeinsame Probleme Fehlerbehebung. Die Erklärung der wissenschaftlichen Gründe für unsere Entscheidungen und Verfahren für die hochauflösende sollte machen rationale Entscheidungen helfen, wenn die Methodik zur Anpassung und dienen als Ausgangspunkt für die Bildgebung neuartiger Systeme.
In diesem Text verwenden wir AM zur Amplitudenmodulation Betriebsart eines AFM zu verweisen. Wir verweisen auf die Feedbackparameter entweder während der Cantileverauslenkung (Kontaktmodus) oder Schwingungsamplitude (AM – Modus) als Sollwert konstant gehalten wird . Im AM-Modus wird der Ausleger nach außen getriebenentweder durch eine akustische Schwingung oder durch einen gepulsten Laser an der Basis des Auslegers gerichtet. Die Antriebsamplitude ist die Intensität des externen Schwingungssignal. Der absolute Wert der Antriebsamplitude benötigt, um eine gegebene Schwingungsamplitude des Auslegers zu erzielen, hängt von vielen Parametern ab, wie beispielsweise das Verfahren zum Betreiben (acoustic, Lichtwärmeumsetzmaterial oder magnetisch), Cantilever Fixierung und Parameter (Steifigkeit, Geometrie) und Laserausrichtung. Der genaue Wert der Antriebsamplitude ist daher nicht relevant, aber es ist in jedem Versuch eingestellt, um eine geeignete (und quantifizierbare) Schwingungsamplitude des Auslegers vorzusehen. Wenn die angetriebene Ausleger weit weg von der Probe und keine Dämpfung ihrer Schwingung erfolgt durch Spitze-Probe – Wechselwirkungen, wird dessen Schwingungsamplitude die freie Schwingungsamplitude bezeichnet. Da die schwingende Spitze die Oberfläche der Probe nähert, beginnt seine Amplitude zu verringern. Wenn die Rückkopplung aktiviert ist, wird die z-piezo constantly neu zu justieren ihre Verlängerung, so dass die gewählte Sollamplitude, konstant zu Kiel. Der Sollwert ist in der Regel immer kleiner als die freie Amplitude. Es ist üblich , auf den Sollwert – Verhältnis zu beziehen, das Verhältnis der Sollamplitude (Abbildungsamplitude) über der freien Amplitude. Je kleiner der Sollverhältnis ist, desto härter die Abbildungsbedingungen sind.
Protocol
Representative Results
Discussion
Unter der Annahme, dass die Bilderzeugungsflüssigkeit und der Cantilever Steifigkeit in geeigneter Weise ausgewählt wurden, werden die wichtigsten Schritte zur Erzielung erfolgreiche hochauflösenden sind die Einstellung der Abbildungs Amplitude und die Sauberkeit des Systems untersucht.
Amplituden vergleichbar mit der Dicke der Grenzflächen – Flüssig – Bereich (typischerweise weniger als 2 nm) Sonden hauptsächlich Variation in den Eigenschaften des Grenzflächenlösungsmittels 42. Wenn die Schwingungsamplitude zu groß ist, wird die vibrierende Spitze Langstrecken-, nichtlinearen Kraftfelder 52 durchqueren, die die Stabilität des Auslegers Bewegung entgegen und schlagen unweigerlich die Probe unabhängig von den Aufnahmebedingungen 29, zu einer Verschlechterung der Auflösung führt. Abgesehen von dem Verlust in der Auflösung, beginnen höheren Harmonischen in der Spitzenbewegung zu erscheinen , und das System wird komplizierter 55 zu modellieren. Alternativ, wenn die Abbildungsamplitude zu klein ist only Teil der Schnittstelle wird sondiert (typischerweise spezifische Schichten der Grenzflächenflüssigkeit) und stabile Bildgebung kann nur mit steifen Kragarme (> 10 N / m in Wasser 53) für ein zufriedenstellendes Signal-zu-Rausch – Verhältnis, mit dem Risiko , erreicht werden , schädigenden weichen Proben über große Höhenunterschiede. Die Notwendigkeit für steife Cantilever ist das thermische Rauschen zu überwinden, die mehr an Bedeutung gewinnen kann, dass das Signal gemessen wird, wenn mit kleinen Amplituden arbeiten, die weitreichende Wechselwirkungen zwischen der Spitze und der Probe noch vorhanden sind, sind aber weitgehend konstant und wirken sich nicht auf die hochauflösenden Kontrast in den erhaltenen Bildern.
Sauberkeit der Imaging-Umgebung ist von größter Bedeutung, wenn es hochauflösendes AFM kommt. Unerwünschte Verbindungen in dem System kann sowohl mit der Abbildungs- und der Kraftspektroskopie stören. Es gibt zwei Hauptkategorien von Verunreinigungen, die die Experimente zu beeinflussen neigen: (i) Verunreinigungen direkt sichtbar bei der Abbildung ( <strong> 4B, 4C) und (ii) die allgemeine unerklärliche Fehlen von hochauflösenden. Fall (i) neigt dazu , nur in stark idealisierte Systeme auftreten wie an der Wasser-Glimmer – Schnittstelle , wo adsorbierten molekularen Aggregaten , die mit den Spitze-Probe – Wechselwirkungen stören deutlich kontrastiert gegen die atomar glatten Glimmeroberfläche (4A). Bevor die Spitze zu ändern und die Probe, ist es wert, spektroskopische Kurven mit einer großen Ablenkung zu erwerben, effektiv wiederholt schwer, die Spitze gegen die Probe gedrückt. Dies würde normalerweise eine neue Spitze beschädigt werden, kann aber gelegentlich eine schmutzige Spitze reinigen oder stabil geeignete Trinkstellen für Bildgebung induzieren. Diese Spitze wird jedoch zwangsläufig abgestumpft werden und daher nur geeignet für flache Probe sein, selbst wenn die Bildgebung verbessert. Bei Verdacht auf Kontamination über steife Proben kann es sich lohnen, die dem Bild versuchen, mit der zweiten Eigenform des Auslegers vor der etwas destruktiv oben beschriebenen Verfahren versucht. Dies erfordert lediglich swJucken um die Antriebsfrequenz auf die zweite Eigenform und die Amplitude / Sollwert Nachstellen (siehe Fehlerbehebung Diskussion unten). Die effektive Steifigkeit der Ausleger stark ansteigt, wenn sie bei der zweiten Eigenmode betrieben und jede schwach adsorbiert Verunreinigung durch die Spitze, während Bildgebung weggeschoben werden kann. Diese Strategie ersetzt nicht die Notwendigkeit für eine saubere Probe und Spitze, bietet aber noch einige weitere Möglichkeiten zufriedenstellende Bilder zu erwerben, wenn eine Spitze / Probe eindeutig nicht ideal ist.
Abbildung 4: Beispiele für Kontamination beobachtet , wenn Muscovitglimmer Bildgebung , die hochauflösende Bildgebung hemmen. A: Mica abgebildet in 5 mM RbCl – keine Schmutzpartikel sichtbar sind. B: Die Kontamination nimmt die Form von Aggregaten der Größenordnung von einigen zehn nm über , während die Abbildung nominell Reinstwasser in. C: Selbstorganisierende Strukturen von Verunrei gebildetNant Teilchen vermutlich amphiphilen in der Natur. Imaging wurde wieder in nominell Reinstwasser durchgeführt. D: vertikal versetzte Abschnitte mit den gestrichelten Linien entsprechen , die in A, B und C die Abweichung von Micas atomar flache Oberfläche veranschaulicht. Maßstabsbalken in A, B und C entsprechen 300 nm. Bitte klicken Sie hier , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.
Fall (ii) ist häufiger und zeichnet sich vor allem durch die Tatsache, dass frustrierende Sub-Nanometer-Funktionen einfach nicht aufgelöst werden kann, unabhängig von den Bilderzeugungsbedingungen. Die Unterzeichnung dieser Art von Situation ist in der Regel sichtbar in Kraftspektroskopie-Messung, die einige Inkonsistenzen zu zeigen, neigen. Diese können schlecht reproduzierbare Kurven und Amplitude vs Abstand Kurven , die sich deutlich von einem typischen S – Form 42 abweichen. Wenn Verunreinigungen, ionische oder nicht, sind Dispersed homogen in der Flüssigkeit, sie zeigen in die topographische Abbildung möglicherweise nicht, aber 69 die Hydratisierung Struktur der Probe stören könnte, die für die Aufrechterhaltung eines regelmäßigen Spitze-Probe Wechselwirkung 29 und Erzielung hoher Auflösung 70 entscheidend ist. Es gibt auch direkte Auswirkungen der Schadstoffe auf die Probe, insbesondere in weichen, biologische Experimente sein. Beispielsweise ist es gut bekannt , dass die Gegenwart von Alkoholen (aus dem Reinigungsverfahren) kann Gelphase Lipid – Doppelschichten 71 verflüssigen – 73, Rendering – Sub-Nanometer – Ebene Auflösung unmöglich. Wenn hochauflösende nicht möglich ist, Pflege zunächst im Reinigungsprozess genommen werden sollte, wobei der Schwerpunkt vor allem auf allen Geräten, die mit der Imaging-Lösung in Kontakt kommt. Selbst scheinbar stabilen Verbindungen wie das Epoxidharz kann in der Flüssigkeit zu einem gewissen Grad Solvat wenn sie nicht vollständig ausgehärtet.
Hochauflösende Bildgebung mit AM-AFM ist anspruchsvoll, erfordert Geduld undoft mehrere Studien vor, die bestmöglichen Abbildungsbedingungen zu erreichen. Kleine experimentelle Probleme können leicht an Bedeutung genug hochauflösende und Fähigkeiten zur Fehlerbehebung sind unerlässlich, um zu verhindern. Im Folgenden haben wir einige der häufigsten Probleme, führen wir mit unseren vorgeschlagenen Lösung auftreten.
Cantilever-Tuning
Die meisten kommerziellen AFMs akustische Anregung verwenden, um die Ausleger zu fahren. In einem solchen Fall Abstimmen des Auslegers, wie in Schritt 5.4 beschrieben, in der Nähe seiner Resonanzfrequenz oft ausreichend Leistung für den Betrieb in Luft zur Verfügung stellt. In flüssigen Umgebungen, neigt die Flüssigkeit eine gewisse Kopplung zwischen den verschiedenen mechanischen Teilen der AFM wie Cantilever-Chip und dem Halter zu induzieren. Dies kann die scheinbare Resonanz des Auslegers beeinflussen, oft von einem Cantilever-Frequenzspektrum dargestellt, die viele scharfe Spitzen und Täler häufig beschrieben als "Wald von Gipfeln" zeigt. Als Ergebnis ist es oft schwierig, die corre zu findenct Antriebsfrequenz. Diese Peaks sind auch in den Gasumgebungen, aber aufgrund der hohen Wert des Qualitätsfaktors des Auslegers, die Amplitude bei Resonanzen wesentlich größer 74,75. In Flüssigkeit die entsprechende Spitzen Auswahl des Auslegers zu fahren kann nicht einfach sein, und Versuch und Irrtum erfordern kann. In der Praxis ist die Frequenzspitze mit steilste Änderung der Amplitude im "Wald der Peaks" um die Resonanzfrequenz in der Regel die beste Wette trotz nicht unbedingt genau auf Resonanz zu sein und liefert oft eine Antriebsfrequenz ausreichend hochauflösende Bildgebung zu erhalten.
Bildverzerrung
Imaging Drift ist oft ein Problem bei der Suche nach hochauflösenden und macht die Bilder verzerrt aussehen (in der Regel gestreckt). Sein Ursprung ist im Allgemeinen thermisch, entweder weil der Scanner / AFM hat seine Gleichgewichtsbetriebstemperatur nicht erreicht, oder weil ein Teil der Probenflüssigkeit verdampft schnell ( zum Beispiel in Alkoholen Bildgebungs ). In allen Fällen wird die Drift vernachlässigbar im thermischen Gleichgewicht. Es ist daher sinnvoll, die Temperatur der Probe, wenn möglich zu beheben. Ansonsten ist es lohnt sich, die AFM verlässt für mehrere Stunden eine Leerprobe (Großformat-Scan bei langsamen Abtastrate) zu scannen, bevor das Experiment durchzuführen. Wenn Verdunstung kein Problem ist, wird dieses Verfahren am besten nach dem Schritt getan 6 des Verfahrens, wobei darauf geachtet, zuerst die Spitze eine kurze Strecke (zB 20 & mgr; m) von der Oberfläche zurückziehen. Gelegentlich wird die Drift auch nach umfangreichen Thermalisieren bleiben. Dies zeigt in der Regel, dass der Ausleger oder dessen Chip zum Teil schleppt die Probe während Bildgebung, etwas, das auf weichen bindigen Proben wie dünne Filme oder wenn die Spitze / Ausleger / Chip ist nicht in geeigneter Weise platziert passieren kann. Auf Chips, die als Host mehr als ein Ausleger / Spitze, ist es oft hilfreich ist, den Ausleger zu brechen, die nicht in Gebrauch sind, anstatt lassen sie die Oberfläche ziehen über.
Ionenstärke
ntent "> Da die Abbildung durch die Grenzflächen Flüssigkeit dominiert wird, ist es manchmal hilfreich ist etwas Salz für die hochauflösende Bildgebung der geladenen Oberfläche in Wasser hinzuzufügen. Die Rolle des Salzes ist zweifach. Erstens ändert es die Hydratisierung Landschaft des Oberfläche nach der Adsorption abgebildet, die oft den Kontrast verbessert. Zweitens hilft es , starke elektrostatische Wechselwirkungen Bildschirm zwischen der Spitze und der Probe (beispielsweise auf Glimmer). im Allgemeinen größere Ionen , wie Kalium, Rubidium und Cäsium ermöglichen bessere Bilder aufgrund ihrer spezifischen Hydratationseigenschaften 76, und die Tatsache , dass sie oft hauptsächlich in einer einzigartigen Hydratationszustand 77 adsorbieren.Bad Ausleger / Spitze
Wenn vermutet wird, dass der Ausleger eine Kontaminationsquelle ist (siehe Symptome oben beschrieben), sollte es zunächst unter einem optischen Mikroskop untersucht werden. Wenn in einem Gel – Box gespeichert sind , kann der Cantilever Spuren von Gel Polymere holen oder Silikonöl 59 , die angezeigt werden könnenIn extremen Fällen, wie dunkler Flecken auf der Rückseite des Auslegers (wie in 5A). Lichtwärmeumsetzmaterial Oszillation des Cantilevers und ähnliche Flecken induzieren, aber sie sind aufgrund der Degradation / Überhitzung des Cantilevers Beschichtung durch die Antriebs Laser. Verunreinigung neigt nach dem Zufallsprinzip auf dem Ausleger erscheint. Eine längere (12 h) Reinigen mit Isopropanol und dann mit ultrareinem Wasser kann keine unerwünschten Partikel aus dem Cantilever entfernen.
Figur 5: Vergleich zwischen einem neuen Cantilever und einer identischen eine , die in einem Gel – Box für einen längeren Zeitraum weitgehend auf harten Oberflächen und links verwendet wurde. A: Top; optisches Bild brandneue Ausleger, die (siehe Verfahren) gereinigt wurde. Boden; optische Bild, um das Auftreten von sichtbaren Verunreinigungen (blauer Pfeil) aus Gel-Box zeigt. B: Vergleich von Auslegern 'jeweiligen thermischen Spektren.Verbreiterung der ersten Resonanzspitze des alten Ausleger ist klar (grüner Pfeil) und einige Moden höherer Ordnung werden verbessert (blauer Pfeil). Spectra wurden vertikal versetzt und auf einer log-log-Skala für Klarheit dargestellt. Bitte klicken Sie hier , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.
Wenn die erforderliche Sub-Nanometer Auflösung nicht erreicht wird, trotz akzeptable Bilder mit geringerer Auflösung, ist es möglich, dass die AFM-Spitze chemisch während seiner Speicherumgebung verändert geworden ist. Dies kann durch Belichtung des Cantilever – Chip mit einem Ultraviolettoxidationsmittel für 120 sec behandelt werden, die auf der Spitze 60 die Erzeugung von hydrophilen Oberflächengruppen unterstützt. Es sollte jedoch darauf geachtet werden, wie die genaue Zeit erforderlich kann je nach Geometrie der Spitze und UV-Leistung variieren und Überbelichtung führen kann von der Spitze und reduzierter Auflösung in Abstumpfung.
Das thermische Rauschen </ P>
Hochauflösende Bildgebung erfordert große Empfindlichkeit gegenüber Veränderungen in Kraft und Abständen ( in der Regel Unter pN Kräfte und Unter Ångström distanziert 78). Für weichere Auslegern, die thermo-mechanische Bewegung des Auslegers aufgrund seiner intrinsischen Brown'sche Bewegung (thermische Vibration) kann ein Problem sein. In erster Näherung mit einem Cantilever – Steifigkeit k ist es nicht möglich , Funktionen zu messen , kleiner als 
Die Amplitude des thermischen Rauschens, wobei k B Boltzmann – Konstante ist und T die Temperatur. Praktisch Verwendung Cantilever mit höheren Resonanzfrequenzen spreizt das Rauschen über einen größeren Frequenzbereich und reduziert die Gesamtrauschpegel in der Messbandbreite 79.
Höhere Eigenmode-Bildgebung
Es kann manchmal nützlich sein, den Ausleger an seinem zweiten Eigenmode zu betreibenaufgrund der Erhöhung effektive Steifigkeit (Diskussion der Kontamination zu sehen). Praktisch wird dies einfach geschehen , indem die Ausleger an seinem zweiten Eigenform Fahren (der zweite Peak – Resonanz bei höherer Frequenz, siehe 1A). Wenn der Ausleger Tuning, einfach die zweite Eigenform wählen anstelle der Hauptresonanz und fahren 5.4 zu treten. Beachten Sie, dass die InvOLS wird anders sein, wenn der Ausleger in der zweiten Eigenform angetrieben wird; typischerweise ~ 1/3 der InvOLS in Schritt gemessen 5,2 für einen rechteckigen Cantilever.
Die Hauptbeschränkung der Technik ist, dass es eine stabile Solvatation Landschaft an der Oberfläche der Probe erfordert. Die Probe sollte robust genug sein, um die Grenzflächenflüssigkeit zu ermöglichen, zu stören, ohne selbst nennenswerte Verformung der Probe zu induzieren. Dies kann auf sehr weich und instabil Proben, große Biomoleküle schwierig sein. Zusätzlich kleiner Amplitude AFM, wie hier beschrieben können keine mechanischen Informationen über die p erhaltenxtras einer Probe, da die Auslegerspitzen den Großteil ihrer Zeit in der Grenzflächenfluid ausgibt. Hierzu kann es vorteilhaft sein , andere Ansätze verwendet werden, wie Quantitative Nanomechanische Mapping 80 oder die Verwendung von höheren Harmonischen von Auslegerbewegung machen. Höhere Mundharmonikas im Allgemeinen verbessert werden , wenn in Fluid Imaging (mit niedriger Qualität-Faktoren) 29,81 – 83 und gleichzeitig Topographie und Steifigkeit von Proben 25,81 zur Verfügung stellen kann – 84 , aber sie sind in der Regel schädlich für Hochauflösung. Andere Beschränkungen, die für alle Rastersondenmikroskopie-Techniken sind hier nach wie vor gültig, insbesondere die Tatsache, dass die Ergebnisse zwangsläufig Informationen über die Messspitze enthalten. Die Verwendung von kleinen Amplituden ist auch nicht ideal für Proben mit großen Höhenunterschieden; die Rückkopplungsschleife wird unweigerlich langsamer reagieren, wenn Höhenschwankungen größer als die Abbildungs Amplitude sind, damit Probe und Spitze Schaden zu riskieren. Die Verwendung of weichere Cantilever mildert dieses Problem zu einem gewissen Grad.
Der Hauptvorteil des hier vorgestellten Verfahren ist die Tatsache, dass es die höchste Bildauflösung möglich mit AFM in Flüssigkeit bietet, sondern kann auf jedem handelsüblichen AFM durchgeführt werden, vorausgesetzt, dass die Geräuschpegel der Maschine niedrig genug sind. Vergleichbare Auflösung auf kommerziellen Instrumenten wird in der Regel im Kontaktmodus erreicht, oder gelegentlich in FM-AFM mit steifen Auslegern. Arbeiten im AM-Modus und mit relativ weichen Auslegern ermöglicht eine breitere Auswahl von Proben, und ist einfacher zu implementieren als FM-AFM auf den meisten Systemen. Der Ansatz stützt sich auf die Ausnutzung der Solvatation Kräfte an der Schnittstelle zwischen jeder festen und flüssigen bestehenden Auflösung zu verbessern und lokale chemische Informationen zu erhalten. Es kann grundsätzlich in Umgebungsbedingungen eingesetzt werden, nur auf den Wasserschichten (typischerweise einige Nanometer dick) auf den meisten Oberflächen aufgrund der Feuchtigkeit der Luft Aufbau zu verlassen. Die Prinzipien der zugrunde liegendenhochauflösende Strategie bleiben unverändert , aber die meisten der Spitze ist in der Luft, mit nur einer Kapillare Brücke zwischen der Spitze der Spitze und der Probe 85. Hochauflösende wurde 86,87 unter diesen Bedingungen auf steifen Proben nachgewiesen. Die Abbildungsbedingungen sind jedoch anders als die der Flüssigkeit eingetaucht aufgrund eines höheren Q-Faktor der Oszillation des Cantilevers. Praktisch fanden wir es einen stabilen Betrieb über weichen oder unregelmßigen Proben schwierig zu erreichen, vermutlich aufgrund der zeitlichen Veränderungen der kapillaren Brücke und erhöhte Q-Faktoren für eine gegebene Auslegersteifigkeit.
Das Protokoll hier beschrieben bietet eine Methodik für die auf molekularer Ebene aufgelöste Bilder von Proben in Flüssigkeit mit den meisten modernen kommerziellen AM-AFMs zu erreichen. Wir stellen die wissenschaftlichen Gründe für unsere Wahl von Bildparametern und betonen die Rolle der Solvatation Kräfte. Wir diskutieren auch gemeinsame Probleme und insbesondere Kontamination. Die spezifischen Wechselwirkungen zwischen Spitze und Probe can variieren je dramatisch auf den Inhalt der Abbildungs Lösung, dem Cantilever Geometrie und das Material und die Probe Chemie. Ein praktisches Verständnis der Natur der herrschenden Kräfte vorhanden während des Scanvorgangs ist daher wichtig, dieses Protokoll auf neue Systeme anzupassen und zuverlässige Ergebnisse zu gewährleisten. Wenn optimiert, ist der experimentelle Ansatz mächtig in-situ lokalen molekularer Ebene Einblicke von Proben in Lösung zu gewinnen.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Die Finanzierung aus der Engineering and Physical Sciences Research Council (Zuschüsse 1452230 und EP / M023915 / 1), der Biotechnologie und Biologische Science Research Council (gewähren BB / M024830 / 1) und der Europäische Rat (FP7 CIG 631186) anerkannt werden dankbar.
Materials
| Multimode IIIA AFM | Brucker | NA | One of the machine used |
| Cypher ES AFM | Asylum Resarch | NA | One of the machine used |
| AFM cantilever/tip | Nanoworld | Arrow UHF-AUD | best for high frequency |
| AFM cantilever/tip | Olympus | RC800-PSA | versatile and cheap |
| ultrapure water | Milipore | NA | lab filtering systems can induce contamination |
| Dimethyl sulfoxide | Sigma-Aaldrich | 200-664-3 | standard chemical, no further purification |
| Monovalent salts | Sigma-Aaldrich | standard chemical, no further purification | |
| Lipids | Avanti polar lipids | lipid bilayers formed using stadard protocols | |
| Crystals | MTI | polished crystals | |
| Scotch tape | 3M | Scotch Magic Tape | Translucent tape works best. Transparent sticks too strongly |
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